El agua en las zeolitas ahorra energía al convertir el biocombustible en biocombustible

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Las zeolitas son materiales extremadamente porosos: diez gramos pueden tener una superficie interna del tamaño de un campo de fútbol. Sus cavidades las hacen útiles para catalizar reacciones químicas y así ahorrar energía. Un equipo de investigación internacional ha realizado nuevos descubrimientos sobre el papel de las moléculas de agua en estos procesos. Una aplicación importante es la conversión de biomasa en biocombustible.

El combustible elaborado a partir de biomasa se considera neutro para el clima, aunque todavía se requiere energía para producirlo: las reacciones químicas deseadas requieren altos niveles de temperatura y presión.

«Si queremos prescindir de las fuentes de energía fósil en el futuro y hacer un uso eficiente de la biomasa a gran escala, también tendremos que encontrar formas de reducir la energía necesaria para el procesamiento de la biomasa», dice Johannes Lercher, profesor de tecnología química en la Universidad Técnica de Munich (TUM) y Director del Instituto de Catálisis Integrada en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington (EE. UU.).

Trabajando junto con un equipo de investigación internacional, Lercher examinó más de cerca el papel de las moléculas de agua en las reacciones dentro de los poros de la zeolita, que tienen un tamaño inferior a un nanómetro.

Todo comienza con ácidos

Una característica de un ácido es que fácilmente dona protones. Por lo tanto, cuando se agrega al agua, el ácido clorhídrico se divide en aniones cloruro cargados negativamente, como los que se encuentran en los cristales de sal de mesa, y protones cargados positivamente que se adhieren a las moléculas de agua. Esto da como resultado un ion hidronio cargado positivamente, que intenta transmitir más este protón, por ejemplo, a una molécula orgánica.

Cuando la molécula orgánica se ve «obligada» a aceptar un protón, intenta estabilizarse. Por lo tanto, un alcohol puede dar lugar a una molécula con un doble enlace, un paso de reacción típico en el camino de la biomasa al biocombustible. Las paredes de zeolita estabilizan los estados de transición que ocurren durante la conversión y, por lo tanto, ayudan a minimizar la cantidad de energía requerida para que ocurra la reacción.

Zeolitas que actúan como ácidos

Las zeolitas contienen átomos de oxígeno en su estructura cristalina que ya llevan un protón. Al igual que los ácidos moleculares, forman iones de hidronio a través de interacciones con el agua.

Sin embargo, a medida que los iones de hidronio se dispersan en el agua, permanecen estrechamente asociados con la zeolita. El pretratamiento químico puede variar el número de estos centros activos y, por tanto, establecer una cierta densidad de iones hidronio en los poros de la zeolita.

La zeolita ideal para cada reacción

Al variar sistemáticamente el tamaño de las cavidades, la densidad de los sitios activos y la cantidad de agua, el equipo de investigación pudo dilucidar el tamaño de los poros y las concentraciones de agua que mejor catalizaron las reacciones de las muestras seleccionadas.

«En general, es posible aumentar la velocidad de reacción reduciendo los poros y aumentando la densidad de carga», explica Johannes Lercher. «Sin embargo, este aumento tiene sus límites: cuando las cosas se apiñan demasiado y las cargas están demasiado cerca unas de otras, la velocidad de reacción vuelve a disminuir. Esto permite encontrar las condiciones óptimas para cada reacción».

«Las zeolitas son generalmente adecuadas como nano-reactores para todas las reacciones químicas cuyos compañeros de reacción se insertan en los poros y donde se usa un ácido como catalizador», señala Lercher. «Estamos al comienzo de un desarrollo con el potencial de aumentar la reactividad de las moléculas incluso a bajas temperaturas y así ahorrar importantes cantidades de energía en la producción de combustibles o productos químicos».

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